[发明专利]一种基于扩展孔径声纳的变换域波束形成方法

摘要

本发明公开了一种基于扩展孔径声纳的变换域波束形成方法，属于水声信号处理领域。本发明包括：根据声纳系统指标要求，根据扩展孔径声纳的等效阵元相位中心原理，即一个发射阵元与一个接收阵元组成一个模块，此模块的相位中心位于两个阵元的几何中心，合理布置发射阵、接收阵的位置；按照布置的发射接收阵型，在发射基阵端，发射阵同时发射相互正交波形；接收阵接收目标的反射信号，即回波信号；对回波信号在变换域内分别进行接收波束形成处理，进行变换域滤波接收波束形成；对变换域接收波束形成处理之后的信号，对不同发射阵形成的时延差用波束形成补偿，进而获取扩展孔径声纳的距离向角度向声图。

主权项

1.一种基于扩展孔径声纳的变换域波束形成方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一根据声纳系统指标要求，根据扩展孔径声纳的等效阵元相位中心原理，即一个发射阵元与一个接收阵元组成一个模块，此模块的相位中心位于两个阵元的几何中心，合理布置发射阵、接收阵的位置；若声纳接收阵列为一维阵列，则将两个发射阵布放在接收阵的两端，若声纳接收阵列为二维平面阵列，方位向和俯仰向都需要扩展，则在接收平面阵列的周围布放四个发射阵；设一均匀直线接收阵列，相邻阵元间距为半波长，阵元个数为M，阵列两端布置两个发射阵，则扩展孔径声纳的角度向波束宽度表示为

式中，BW为角度向的波束宽度，单位为弧度，λ为发射信号波长，d为相邻接收阵元间距，为波束偏置角，设定

设一均匀二维平面接收阵列，相邻阵元间距为半波长，水平向阵元个数为L，俯仰向阵元个数为Q，四个发射阵列布置在接收面阵的四个角，则水平向波束宽度和俯仰向波束宽度为：

其中，BW_θ为水平向波束宽度，为俯仰向波束宽度，d_θ为水平向相邻阵元间距，为俯仰向相邻阵元间距；

步骤二按照布置的发射接收阵型，在发射基阵端，发射阵同时发射相互正交波形，实际中不存在完全正交的信号，设计发射信号在变换域中特征不同的信号，以一维接收阵列为例，两个发射阵，发射两个不同频率的正弦信号，且两个信号的频率响应曲线‑3dB无重叠，即频率无交叉，则此两个发射信号的频率特征不同；又如在不同中心频率的正负调频信号，则两个发射信号在STFT时频域具有不同的特征，即可认为两个发射阵发射的为正交信号；

s₁(t)＝cos(2πf₁t+K₁πt²)

s₂(t)＝cos(2πf₂t+K₂πt²)

式中，s₁(t)，s₂(t)为两端的发射阵发射的正交信号，一个发射阵的发射中心频率为f₁，频率变化率为K₁，t为时间点，另外一个发射阵的发射中心频率为f₂，频率变化率为K₂，两个信号的中心频率不同，频率变化率不同；

步骤三接收阵接收目标的反射信号，即回波信号，回波信号中含有多个正交发射信号的目标反射信号的叠加，为实现波形分离，结合发射正交信号在变换域不同的特征，对回波信号在变换域内分别进行接收波束形成处理，进行变换域滤波接收波束形成；

设接收阵列为一维线阵，两个发射信号发射不同频率信号，两个信号在频域的特征不同，则分别在不同频率进行接收波束形成；若两个发射信号发射不同频率的上下调频信号，由于两类信号在不同阶分数阶傅里叶变换域具有不同的特征，根据分数阶傅里叶变化具有提取多分量chirp信号参数的能力，则采用分别在不同阶数分数阶傅里叶变换域进行接收波束形成处理；

分别对接收信号进行不同阶的分数阶傅里叶变换，即

式中，x(t)为接收的目标反射信号，为p₁阶的分数阶傅里叶变换核函数，为x(t)对应的p₁阶的分数阶傅里叶变换域函数，为p₂阶的分数阶傅里叶变换核函数，为x(t)对应的p₂阶的分数阶傅里叶变换域函数；

步骤四逆变换域变换，发射波束形成；对变换域接收波束形成处理之后